�
2016 VOL.26

Fig. 2�PCD�

SUS304
PCDReview�

��
写真位置�
削 除 し ないでください���

2.1
Table 1��

SUS304

焼結ダイヤモンドの塑性加工工具へのTable 1A
焼結ダイヤモンドの塑性加工工具への適用技術�
� �
�
B適用技術
CoFig.1

�

10� m

�

古閑
*
古閑�伸裕
伸裕�

１．まえがき� 塑性加工におけるアブレシブ摩耗や凝着摩耗などによ×PCD

Table 1

Specimens used friction and wear tests
Material

る工具寿命の低下や，これによる製品精度の悪化を防止または低減することは，同加工における永遠の課題である．

Rotating radius
2mm

Load 1N

これら課題の解決策の１つとして，�� 処理や窒化処理，

Specimen

StainlessBallball

硬質膜コーティングなどの表面処理法がある．これらはい(a) Spe(caFig. 2 T�Surface
Size (mm)roughness
UXR25
0.10µmRa
A:Carbide13 13 3(Misumi)
0.60µmRy
PCD のアルミニウムやステンレスに対する凝着防止効果
CTB-0100.07µmRa
B:PCD
11 11 0.5(Element Six)
0.40µmRyが高いことが確認できた。
Specimen

N. Koga

Chrota2.2
2.1
SUS304
�
�L

Table 2
Table 3PCD
PCD

ずれも未処理工具に比べ工具の寿命向上は実現できるも
� �のの，切削工具のように使い捨てできない塑性加工工具の60rpm

場合は，再処理のための時間や労力，再処理後に表面処理

Fig.1 Conditions of friction and wear test
図�� 摩擦摩耗試験の方法と条件の効果が薄れるといった点が問題になる場合が多い．�
� さて，高硬度と耐凝着性を備えるダイヤモンドは，線引きダイなどに古くから用いられてきたが，工具製作の困難

�

表１� 摩擦摩耗試験を行った試験片Fig.1の�

ToolAB

�って，放電加工による工具製作が可能な焼結ダイヤモンド

0.1（PCD：Sintered Polycrystalline Diamond）���が市販される

PCD

�

�
Fig.2
A

�

Tool 2Bー金型の実現などが期待できる．�

(PCD)

�

� 本研究では，深絞り加工工具とせん断加工工具への PCD

PCDの適用性を評価するとともに，各種材料の連続加工実験に

�より、その実用性を評価する．�
�

工材間の摩擦係数が低減することで親和性が改善できれば，成形性の向上や工具寿命の向上が期待できる．� �� そこで，様々な加工において工具への凝着が問題となるアルミニウム合金（A5052）と，工具へのダメージが大きいとされるステンレス鋼（SUS304）について，図１に示すようなボールオンデスクタイプの摩擦摩耗試験機による評価を行った．�
� 表１に示す３種類の試験片を準備し，それぞれについて� � � � 摩擦係数２．��� の特性評価 ������性は成形性に大きな影響を及ぼす．すなわち，工具と被加回転回数�／�回�
図２� 摩擦摩耗試験における摩擦係数測定結果(Ball : A5052)

３．深絞り加工工具への適用

A5052 製と SUS304 製のボールによる試験を行った。図２の� ���� 実験条件および方法�に，A5052 製ボールを用いた場合の摩擦係数測定結果を示

� 前記実験において，PCD の優れた凝着防止効果が確認す．PCD は CVD 法により成形した導電性ダイヤモンド厚できたため，図３に示すような，PCD 製工具（ダイとし膜（厚み：0.5mm）と同様に，試験終了時まで 0.1 程度のわ抑え）と比較のための SKD11 製工具による，アルミニ低い摩擦係数のままであることが判明した。また，SUS304

ウム合金板（A5052, t=0.15mm）とステンレス鋼板（SUS304,ボールを用いた試験においてもほぼ同様の結果が得られ，t=0.1mm）の無潤滑深絞り実験を行った．

* 日本工業大学工学部・機械工学科教授- 62 -

Tool 1(SKD11)ようになった．これが各種塑性加工工具として利用できれ� 各種加工において，工具と被加工材間の摩擦係数や親和Table 2� �

さやコストの観点からその用途は限られている．最近になば，上記摩耗の問題が大幅に改善でき，メンテナンスフリ

SKD11Pecimen�
PCD

�
2�
� �m

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PCD

�

�

SKD11

SKD11

�
�

Dp=� 3.12mm

�nd wear test

�
�

B

PCD

Fig.2

Table 2Tool

Specifications of deep drawing tools

Photograph�Surfaceroughness�Tool 10.09µmRa:

�(SKD11)0.50µmRz�

Tool 20.07µmRa:

�(PCD)

0.50µmRz

Dimensions ofTool 2�(a) SKD11 製工具加工前� (b) SKD11 製工具� � � � � � � � � � � � � � 30 回加工後

�CD�

��

図３� 深絞り加工実験に用いた工具(SKD11, PCD 製ダイ)

�の� ���� 実験結果および考察�

(c) PCD 製工具加工前�
(d) PCD 製工具� � � � � � � � � � � � � � 5,000 回加工後

� ����アルミニウム合金板 ���� まず，外径φ3.0mm のパンチ（先端アール半径：0.5mm）と内径φ3.36mm のダイ（肩アール半径：0.75mm）を用い，

図５� 加工前後のダイ肩アール部性状の比較� � � （被加工材：SUS304, t=0.1mm）

無潤滑深絞り加工における限界絞り比（LDR）の調査を行った．その結果，SKD11 製工具の場合の LDR が 1.91 であったのに対し，PCD 製工具による加工では LDR が 1.95 まで向上した。
� つぎに，絞り比 1.80 の条件で無潤滑連続加工を行った．
SKD11 製工具による加工においては，わずか数回の加工後にダイ肩アール部にアルミニウムと思われる凝着物が発生するようになり，これにより成形品側壁部には大きな擦り傷の発生が認められるようになった。これに対し，
PCD 製工具による加工では，図４に示すように，5,000 回の加工を行っても初回成形品とほとんど遜色の無い高精度の成形品が得られることが判明した。

(a) SKD11 製工具� (b) SKD11 製工具
初成形品� � � � � � � 30 回目成形品(a) 初回成形品� � � (b) 5,000 回目の成形品
図４� PCD 製工具により得られた成形品
� � � （被加工材：A5052, t=0.15mm）
� ����ステンレス鋼板 ���� ステンレス鋼板の無潤滑深絞りにおいても，SKD11 製工具より PCD 製工具を用いた場合のほうが LDR が 0.5 程度向上することがわかった．
� また，無潤滑連続深絞り実験においては，SKD11 製工具ではわずか 30 回加工時点でダイ肩アール部に凝着が発生（図５(b)）するようなり，成形品の側壁部には加工方向に擦り傷が顕著に発生（図６(b)）ようになった． これに対し、PCD 製工具は 5,000 回加工後（図５(d)）も凝着の発生はほとんど認められなかった。このため，5,000 回目に得られた成形品（図６(d)）には擦り傷の発生は認められず，初回成形品（図６(c)）とほとんど変化のない良好な性状を有する成形品を得ることができた。

- 63 -(c) PCD 製工具
� (d) PCD 製工具
初回成形品� � � � � 5,000 回目成形品
図６� SKD11 製工具と PCD 製工具により� � � 得られた成形品とその側壁部性状� � � （被加工材：SUS304, t=0.1mm）

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４．せん断加工工具への適用 ��� 実験にはサーボプレス（クランクモーション）を用い，

� ���� 実験条件および方法�

アルミニウム合金板の打抜きでは 50spm，ステンレス鋼板

せん断加工においても，表面処理を施すことで工具の寿
���の場合は 30spm のストローク数でそれぞれ加工を行う．

が，せん断工具の場合は刃先に大きな

この場合，いずれの場合も潤滑油の供給は一切行わないド応力が作用するため，刃先近傍の数μの厚みの硬化層が加ライ加工とする．被加工材には，表２に化学成分と機械的工初期に脱落し，表面処理の効果が十分に持続できないケ

性質を示す A5052 アルミニウム合金と SUS304 ステンレスースが多い．�

鋼板（いずれも板厚 t=1.0mm）を用いる．

命が向上できる

そこで，図７に示すような被加工材板厚に近い厚みのバルク状の PCD を切り刃部にろう付けしたパンチとダイを� ���� 実験結果および考察�

用いることにより，大幅な工具の寿命向上が期待できる。

� (a) アルミニウム合金板

本研究では，板厚 t=1mm のアルミニウム合金板とステ� まず，SKD11 製工具による打抜き実験を行い，2,000ンレス鋼板の無潤滑連続打抜き実験を行い，PCD 製工具回毎に工具性状と切口面の観察を行った．図８に加工前との有効性と実用性を調査する．

2,000 回，4,000 回打抜き後のパンチとダイの性状を示す．
2,000 回加工後にはパンチ側面に部分的に被加工材と思われる凝着物の発生が認められるようになり，4,000 回加φ4mm

工後にはパンチ側面全周にわたり凝着物の発生が認められた．また，ダイ穴内面にも，パンチほどではないが，4,000回加工後には部分的に凝着物の発生が認められた．
� 図９に打抜き 1 回目，2,000 回目，4,000 回目に得られたそれぞれの切口面性状を示す．打抜き加工中やストリッピング時にパンチ側面に接していた穴側切口面は，2,000回目には 1 回目の切口面には存在していた破断面が認め
図７� PCD をろう付けしたパンチとダイ� 本実験では，PCD のなかでも靭性に優れ，刃立性がよいとされる超微粉（平均粒径：0.5μm）の PCD を用いた工具（パンチ，ダイ）を用いた．アルミニウム合金板の打抜きでは外径 3.9mm のパンチと穴径

 4.0mm のダイ（ク1mma-1) 加工前�� � �a-2) 2,000 回加工後� a-3) 4,000 回加工後(a) パンチ刃先近傍の性状リアランス：C=5%t）を使用し，ステンレス鋼板の打抜きで は 外 径  4.0mm の パ ン チ と 穴 径  4.2mm の ダ イ（C=10%t）を用いる．工具端面の PCD の厚みは，基本的には被加工材の厚み（ｔ=1mm）にパンチとダイの下死点でのオーバーラップ量（0.2mm）を加えた値以上であれば，1mmb-1) 加工前�� � �

被加工材の工具への凝着防止効果が発揮できると考えられる．そこで，いずれの材料の打抜きにおいても，パンチとダイの刃先部の PCD の厚みは 1.5mm とした．また，比b-2) 2,000 回加工後� b-3) 4 ,000 回加工後(b) ダイ刃先近傍の性状

図８� 打抜き加工回数増加に伴う SKD11 製工具の�� � � 性状変化（被加工材：A5052, t=1.0mm）

較のため，PCD 製工具と同形状，同寸法の SKD11 製工具も準備し，同様の実験を行った．

打抜き方向表２� 被加工材の化学成分と機械的性質
A5052-H18

SUS304

Material

Al Fe Si Mn Cr Cu Mg Zn---

Bal 0.38 0.20 0.10 0.20 0.10 2.60 0.08 ---FeCSi Mn Cr CuPNiSa-1) １回目�a-2) 2,000 回目�
a-3) 4,000 回目
� � (a) 穴側切口面の性状

Mo N

Bal 0.05 0.04 1.0 18 0.20 0.03 8.0 0.03 0.10 0.03
Thickness

Tensilestrengt Elongatio
hn1mm

Hardness

A5052-H181mm

350Mpa10%

HV101

SUS3041mm

660Mpa

53.1%

HV170

�

1mmb-1) １回目�b-2) 2,000 回目�b-3) 4,000 回目

� (a) 抜き落とし側切口面の性状

図９� SKD11 製工具による打抜きにより得られた� � � 切口面の変化（被加工材：A5052, t=1.0mm）- 64 -

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材の凝着はほとんど認められなかった．また，刃先の摩耗られなくなり，切口面のほぼ全域が削られたような切口面に変化した．そして，4,000 回目には凹凸の大きな切口面もほとんど認められなかった．このため，図 �� に示すよとなり，打抜き方向に塑性ばり 5)と呼ばれる大きな突起物

うに，4,000 回目や 10,000 回目に得られた穴側および抜（かえり）の発生が認められるようになった．

き落とし側の切口面は，1 回目に得られた切口面に対し，

� ダイ穴下方に抜き落とされる打抜き品の切口面は，ほとんど変化が認められず良好なものであった．また，4,000 回目においても 1 回目に得られた切口面に比べてそPCD 製工具による打抜きでは，加工終了時までかえり高の性状が大きく変化する現象は認められなかった．このよさの増大はほとんど認められなかった．�

うに穴側と抜き落とし側の切口面が大きく異なるのは，ダ� (b) ステンレス鋼板

イ内面は抜き落とし品が下方に落下する際に接触するだ

� 鋼板の打抜きでは，アルミニウム合金板の場合に比べ工けであるのに対し，パンチ側面はせん断加工中とストリッ

具に作用する衝撃力が大きくなるため，チッピングやピング時のいずれのストローク域においても穴側材料のPCD の基材からの剥離などの発生がより懸念される．� �

切口面と接触するためと考えられる．しかし，4,000 回後

� 硬質膜コーテッド工具による鋼板の打抜き 5�では，刃先にはダイ側面にも凝着物の発生が認められるようになっ部分は加工早期に硬質膜が剥離するため，刃先の摩耗防止ていることから，さらに打抜き回数が増せば，抜き落としは困難であり，またコーテッド工具の利用により側面の摩側切口面も性状が悪化することが予測される．

耗の増大時期を遅らせることはできても，その根本的な解� つぎに，PCD 製工具による打抜き実験を行った．図 ��決策にはなり得ない．すなわち，上記工具不良が発生するに加工前，4,000 回および 10,000 回加工後のパンチとダことなく PCD 製工具による鋼板の打抜きが可能になれば，イの性状を示す．10,000 回の連続打抜きを行ってもチッアルミニウム合金板の打抜き以上にその利用価値が高まピングやろう付け部からの PCD の剥離などは発生しなかることは明白である．�

った．また，10,000 回加工後のダイ端面には打抜き時に� ステンレス鋼板の打抜きにおいても，まず SKD11 製工発生したアルミニウムの粉が堆積したと思われる白化が具による実験を行った．図 �� に加工前と 5 万回，10 万回認められたものの，パンチやダイの刃先や側面には被加工�

打抜き後のそれぞれの工具刃先性状を示す．10 万回加工
後には，加工中に被加工材の切口面と接触していたと思われる刃先から約 1.3mm のパンチ側面全周にわたり大きな摩耗が発生し，摩耗量の不均一により刃先輪郭の真円度が1mma-1) 加工前�� � �大きく悪化する現象が認められた．また，ダイもパンチほa-2) 4,000 回加工後� a-3) 10,000 回加工後(a) パンチ刃先近傍の性状どではないが，側面摩耗の発生が認められた．これにより実質的にクリアランスが増大し，1 回目より 5 万回目や10 万回目に得られた切口面のほうが破断面の切口面に占める割合が増加する傾向が認められた．また，加工回数が増すと，大きなかえりが局所的に発生する現象も認められ1mmb-1) 加工前�るようになった．
b-2) 4,000 回加工後� b-3) 10,000 回加工後

� � � (b) ダイ刃先近傍の性状

図 ��� 打抜き加工回数増加に伴う PCD 製工具の�� � � 性状変化（被加工材：A5052, t=1.0mm）

� つぎに PCD 製工具による 20 万回の連続打抜き加工を行った．加工終了時までチッピングや PCD の剥離などの工具不良の発生は一切認められなかった．図 �� に加工前，10 万回および 20 万回加工後の工具性状を示す．10 万回

500μm1mma-1) １回目�� �a-2) 4,000 回目�

(a) 穴側切口面の性状a-3) 10,000 回目a-1) 加工前� a-2) 50,000 回加工後

500μm1mmb-1) １回目�a-3) 100,000 回加工後

� � (a) パンチ刃先近傍の性状b-2) 4,000 回目�b-1) 加工前�

b-3) 10,000 回目b-2) 50,000 回加工後� b-3) 100,000 回加工後

� � � (b) ダイ刃先近傍の性状

� (a) 抜き落とし側切口面の性状

図 ��� PCD 製工具による打抜きにより得られた� � � 切口面の変化（被加工材：A5052, t=1.0mm）

図 ��� 打抜き加工回数増加に伴う SKD11 製工具の�� � � 性状変化（被加工材：SUS304, t=1.0mm）- 65 -

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および 20 万回加工後にはパンチやダイの側面がわずかに内径や抜き落とし品の外径は，加工回数の増加とともに変変色する程度の変化が認められたが，刃先や側面の摩耗は化する現象が認められた．これに対し，PCD 製工具の場ほとんど認められなかった．

合は，20 万回目に得られたものでも初回打抜き品とほぼ

図 �� には 10 万回打抜き後の SKD11 製パンチと 20 万同寸法であった．これらの結果から，PCD 製工具を用い回打抜き後の PCD 製パンチのそれぞれの刃先の形状測定

れば，側面摩耗が大幅に低減または防止できるため，寸法（先端アール半径 5μm のスタイラスにて測定）結果を示

精度の優れた打抜き品や穴あけ品が安定して得られるこす．この結果からも PCD 製工具の顕著な耐摩耗性向上効とが判明した．

果が確認された．
Burr／�
height/ μm
かえり高さ�
μm

50500μma-1) 加工前� a-2) 100,000 回加工後a-3) 200,000 回加工後

� � � � (a) パンチ刃先近傍の性状500μmb-1) 加工前�} Hole side40} Blanked side

SKD113020PCD

100050000

100000150000200000Blanking repetion/ time
打抜き回数�
／�回図 ��� 打抜き回数増加に伴うかえり高さの変化（SUS304, t=1.0mm）b-2) 100,000 回加工後� b-3) 200,000 回加工後

� � � � (b) ダイ刃先近傍の性状

内外径寸法�
／� diameter
mm / mm
Inner and outer図 ��� 打抜き加工回数増加に伴う PCD 製工具の�� � � 性状変化（被加工材：SUS304, t=1.0mm）

20μm
20μm

: 加工前の形状

4.40} SKD114.30} PCD

Outer diameter of blanked side

4.20
4.10

Inner diameter of hole side

4.003.90050000

100000150000200000Blanking repetion/ time
打抜き回数�／�回(a) 10 万回打き後の�SKD11 製パンチ刃先形状(b) 20 万回打き後の�PCD 製パンチ刃先形状

図 ��� 打抜き回数増加に伴う内外径寸法の変化（SUS304, t=1.0mm）

�図� ��� 打抜き加工後のパンチ刃先輪郭形状の比較

５．あとがき� � （被加工材：SUS304, t=1.0mm）

� 深絞り加工工具とせん断加工工具への PCD 製工具の適� このように PCD 製工具は 20 万回の打抜き後もほとん
ど性状や形状の変化がないため，10 万回目や 20 万回目に得られた切口面も初回に得られたものとほとんど変化が用性を評価し，いずれの加工においても PCD 工具を用いると，工具の寿命が大幅に向上できることを明らかにした。��
�

謝� 辞�

認められなかった。
� 図 �� に加工回数の増加に伴う，穴側および抜き落とし側切口面のかえり高さの変化を示す．SKD11 製工具による打抜きでは，穴側，抜き落とし側いずれも 10 万回まで

� 本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助成により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝いたします．�
�

かえり高さが増大する現象が認められた．これに対し，
PCD 製工具の場合は，初回から 20 万回目までかえり高さの変化はほとんど認められず，11〜12μm 程度の小さなかえりであった．この結果から，PCD 製工具による加工では，刃先がアール状またはテーパ状に摩耗することなく20 万回まで安定した加工が行えたことが理解できる．
� 打抜き後の穴部平均内径と抜き落とし品平均外径の測定結果を図 �� に示す．SKD11 製工具により得られた穴の参考文献
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���古閑伸裕・許� 昌龍：軽金属������������������������
���古閑伸裕・薄� 憲毅・許� 昌龍：塑性と加工������������������������
���古閑伸裕・姜� 文赫・薄� 憲毅：塑性と加工���������
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���古閑伸裕：塑性と加工������������������������

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